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Développements des aimants à champ élevé pour les futurs accélérateurs

Journées accélérateurs de la SFPRoscoff, 13-16/10/2013

J.M. RiffletCEA/Irfu/SACM

Contenu

•Les besoins de l’après LHC•Les projets d’ upgrade au CERN•Les développements nécessaires

– NbTi– Nb3Sn

• Le dipôle FRESCA2

– Supras HTc– Développements associés

•Conclusions

14/10/2013JM Rifflet CEA/Irfu/SACM - Roscoff - Développements des aimants à champ élevé pour les futurs Accélérateurs 2

Les besoins de l’après LHC (1/2)

c) The discovery of the Higgs boson is the start of a major programme of work to measure this particle’s properties with the highest possible precision for testing the validity of the Standard Model and to search for further new physics at the energy frontier. The LHC is in a unique position to pursue this programme.

Europe’s top priority should be the exploitation of the full potential of the LHC, including the high-luminosity upgrade of the machine and detectors with a view to collecting ten times more data than in the initial design, by around 2030. This upgrade programme will also provide further exciting opportunities for the study of flavour physics and the quark-gluon plasma.


Recommandations du Groupe de Stratégie Européen (Erice-janvier 2013)

Les besoins de l’après LHC (2/2)

d) To stay at the forefront of particle physics, Europe needs to be in a position to propose an ambitious post-LHC accelerator project at CERN by the time of the next Strategy update, when physics results from the LHC running at 14 TeV will be available.

CERN should undertake design studies for accelerator projects in a global context, with emphasis on proton-proton and electronpositron high-energy frontier machines. These design studies should be coupled to a vigorous accelerator R&D programme, including high-field

magnets and high-gradient accelerating structures, in collaboration with national institutes, laboratories and universities worldwide.


Recommandations du Groupe de Stratégie Européen (Erice-janvier 2013)

Les projets d’upgrade au CERN (1/2)

•HL-LHC : Prochaine « upgrade » du LHC. Échéance : 2022– luminosité 2 x 1035 cm-2 s-1 3000 fb-1

– Modification des régions d’interaction

•HE-LHC : atteindre 26 à 33 TeV (centre de masse) : 2035– Remplacer tous les aimants existants 20 T (pour 33 TeV)


Les projets d’upgrade au CERN (2/2)

•Tlep:– Collisionneur e+e- 350 Gev– Nouveau tunnel de ~80 km

de circonférence– Pas de challenge pour les

aimants•VHE-LHC:

– Collisionneur de hadrons 100 TeV; Même tunnel que Tlep

– B ~ 20T


Le NbTi (1/2)

•Quadripôles MQXC (triplets IR) ( FP7 CNI-PP-SLHC & CEF)

–Ouverture : 120 mm–G=118 T/m–Bmax = 7.8 T–T = 1.9 K


Bobines réalisées à Saclay

Assemblage et tests au CERN 5 quenchs pour atteindre le nominal Solution backup si Nb3Sn pas assez fiable pour HL-LHC

Le NbTi (2/2)

•Quadripôles Q4 (HiLumi + Collaboration CERN-CEA) – Ouverture 90 mm– G= 117 T/m– Bmax = 6.1 T– T = 1.9 K


•Étude conceptuelle en cours•Modèle de validation à Saclay (2016)•5 masse froides (5 à 6 m) fabriquées

par l’industrie, avec supervision Saclay

Au-delà du NbTi, quels matériaux ?


Le Nb3Sn (1/2)

•Permet d’atteindre des champs de 15 T (+)•Nécessite une réaction après bobinage à 650-670 °C•Fragile après réaction manipulations délicates•Nécessite une imprégnation (résine Pb de tenue aux

rayonnements)•Sensible aux contraintes mécaniques dégradation de

JE à partir de ~150 Mpa


Le Nb3Sn (2/2)

•Pour HL-LHC. – Programme US : LARP

• Récent succès HQ02a : 12 T dans 120 mm

– Dipôle 11T au CERN

•Dipôle 13 T (15 T à 1.8K) pour la station d’essais de conducteurs du CERN FRESCA2 (FP7-EuCARD)


Le dipôle FRESCA2 (1/2)


Le dipôle FRESCA2 (2/2)

•Retrait du conducteur lors du TT

adaptation outillage Test intermédiaire (2 bobines/4 en Nb3Sn) en 2015 Test final en 2016


l/l = 1% (PIT) 0.3% (RRP)

Les supra à haute température critique (1/4)

•BI2212 : – brins ronds disponibles : câblage possible courant élevé – Très cher– Nécessite une réaction après bobinage (~950° sous atmosphère contrôlée)

•YBCO :– Disponibles seulement sous forme de ruban câbles ROEBEL pour fort

courant et transposition– Très hétérogènes– Le substrat est mécaniquement très résistant


Pour les conducteurs HTc:• Les vitesses de propagation de zone résistive sont très

faibles (cm/s) fort risque de détérioration par échauffement local

• Les structures mécaniques doivent être capable de tenir les efforts considérables (forces de Lorentz)


•Programme SMES. Pascal Tixador (DGA / CNRS / Nexans) (PIT Bi-2212 pancakes)

– 245 A; 425 kJ


Pascal Tixador

•ANR SuperSMES : Montrer qu’il est possible de stocker 20 KJ/Kg avec un aimant HTc (11.5 pour CMS)

•Thèse Thibault Lécrevisse:– Lois de comportement Ic = f(B,T)– Etude des vitesses de propagation


•EuCARD et collaboration CERN/CEA– Étude de l’insert 6T à tester dans Fresca2

(mécanique, protection, …)– Développements technologiques




EuCARD2 objectif :modèle court d’aimant HTS avec qualité accélérateur (5 T, 40 mm) :

– Étude de matériaux de structure– Étude du couplage avec un aimant fournissant le

champ magnétique externe– Étude de la protection des aimants couplés configuration possible pour

l’aimant HTS EuCARD2

Développements associés

•Comprendre la mécanique des câbles « Rutherford » ANR Cocascope + collaboration CEA-CERN

– Modélisation par éléments finis de câble – Mesures mécaniques sur brin et câble– Tomographies pour comparaison avec le modèle


•Etudes des transferts thermiques au travers des matériaux d’isolation

– Études de transfert thermique dans les milieux poreux– Études de la thermohydraulique des aimants d’accélérateurs– Mesures de propriétés thermomécaniques de matériaux– Mesures de transfert thermique au travers des isolants

électriques

Conclusions

En vue des futures « upgrades du LHC » (et aussi pour d’autres applications possibles)•La technologie du NbTI doit être conservée•Plusieurs programmes sont en cours pour maîtriser la technologie du NB3Sn. Pour HL-LHC, un point critique sera sans doute la fiabilité.•Pour le long terme HE-LHC et VHE-LHC. Le Nb3SN et les supras HTc seront nécessaires. Les développements ont déjà commencé…. Beaucoup de travail reste à accomplir !!!


Merci pour votre attention

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